3.4. Поверхностные дефекты

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристалли­ческому строению имеют неодинаковую пространственную ориен­тировку решеток. Блоки повернуты по отношению друг к другу на угол от нескольких секунд до нескольких минут, их размер 10^-5 см. Фрагменты имеют угол разориентировки не более 5°. Если угловая разориентировка решеток соседних зерен не более 5°, то такие границы называются малоугловыми границами зерен. Все субзеренные границы (границы фрагментов и блоков) - малоугловые. Строение границ зерен оказывает большое влияние на свойства металла.

Г раница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5—10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого зерна (рис. 28). Неупо­рядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей.

В силу того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации приме­сей, они оказывают существенное влияние на механические свой­ства металла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра, выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так как действительная форма зерна отличается от сферической. Размер зерна в металлах меняется в широ­ких пределах от нескольких микрон до миллиметров. Раз­мер зерна оценивается в бал­лах по специальной стандар­тизованной шкале и характеризуется числом зерен, приходящихся на 1 мм² поверхности шлифа, при увеличении в 100 раз. Процесс пластического течения, следовательно и предел теку­чести, зависят от длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного» барьера, т. е. размера зерен металла. Предел текучести σ_Т связан с размером зерна d уравнением Холла—Петча:

σ_Т =σ₀+kd^-1/2

где σ₀ и k — постоянные для данного металла.

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах. Повышенная пластичность и вязкость обусловлены более одно­родным составом и строением мелкозернистого металла, отсут­ствием в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способствующих образованию трещин.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются макроде­фекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметалли­ческие включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижают прочность металла.

4. Кристаллизация металлов

4.1. Энергетические условия кристаллизации

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях! твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, называемой температурой плавления или кипения.

В газах отсутствует закономерность в расположении частиц, частицы движутся хаотически, причем газ стремится занять воз­можно больший объем. Твердые кристаллические тела имеют пра­вильное строение, при котором атомы и ионы находятся в узлах кристаллических решеток (так называемый ближний порядок), а отдельные ячейки и блоки определенным образом ориентиро­ваны по отношению друг к другу (дальний порядок). В жидкостях определенная ориентировка распространяется не на весь объем, а лишь на небольшое число атомов, образующих сравнительно устойчивые группировки или флуктуации. С понижением темпе­ратуры устойчивость флуктуации увеличивается и они проявляют способность к росту. Таким образом, для жидкостей характерен только ближний порядок расположения атомов.

По мере увеличения температуры твердого тела растет подвиж­ность атомов в узлах решетки, амплитуда колебаний увеличивается и при достижении определенной температуры, называемой темпе­ратурой плавления, атомы вырываются из узлов и решетка разру­шается с образованием жидкой фазы. Температура плавления — важная константа и входит во все справочники: температура пла­вления ртути минус 38,9; свинца 327; цинка 419; алюминия 660; меди 1083; железа 1536° С и т. д.

Противоположная картина наблюдается при охлаждении жид­кости и ее последующем затвердевании. При охлаждении жид­кости, наоборот, подвижность атомов падает и вблизи температуры плавления образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы, как в кристаллах. Эти группировки являются цен­трами кристаллизации или зародышами. При достижении темпе­ратуры плавления — затвердевания, вновь образуется кристалли­ческая решетка и металл переходит в твердое состояние.

Переход металлов из жидкого в твердое состояние при опре­деленной температуре называется кристаллизацией. Рассмотрим энергетические условия процесса кристаллизации.

Энергетическое состояние любой системы характеризуется определенным запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения молекул, атомов, электронов, внутриядер­ной энергии, энергии упругих искажений кристаллической решет­ки и других видов энергии.

Свободной энергией является такая составляющая внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превра­щена в работу. Свободная энергия изменяет свою величину при изменении температуры, плавлении, полиморфных превращениях и т. д. F = U—TS, где F — свободная энергия, U — полная внутренняя энергия системы, Т — температура, S — энтропия.

Согласно второму закону термодинамики, всякая система стремится к минимальному значению свободной энергии. Любой самопроизвольно текущий процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво, т. е. обладает меньшим запасом свободной энергии. Например, шарик стремится скатиться вниз по наклонной плоскости, понизив при этом свою свободную энер­гию, естественно, что самопроизвольное возвращение шарика вверх по наклонной плоскости невозможно, так как при этом про­изойдет увеличение его свободной энергии.

Рис. 29. Влияние температуры на изменение свободной энер­гии жидкого и твердого металла

Рис. 30. Температурные кривые кристаллизации металла с раз­личными скоростями охлаждения

Процесс кристаллизации подчиняется этому же закону. Металл затвердевает, если меньшей свободной энергией обладает твердое состояние, и плавится в том случае, когда меньшей свободной энергией обладает жидкое состояние.

Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояния при изменении температуры приведено на рис. 29. С повышением температуры величина свободной энергии обоих состояний уменьшается, но закон изменения свободной энергии различен для жид­кого и твердого состояний вещества.

Различают теоретическую и фактическую температуру кристаллизации. T_s — теоретическая или равновесная температура кристаллизации, при которой F_ж= F_TB. При этой температуре равновероятно существование металла как в жидком, так и в твер­дом состояниях. Реальная же кристаллизация начнется только тогда, когда этот процесс будет термодинамически выгоден системе, при условии ΔF=F_ж-F_Tв, для чего необходимо некоторое переохлаждение. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется фактической температурой кристал­лизации Т_кр. Разность между теоретической и фактической тем­пературой кристаллизации называется степенью переохлаждения: ΔТ = Т_S — Т_кр. Чем больше степень переохлаждения ΔТ, тем больше разность свободных энергий ΔF, тем интенсивнее будет идти кристаллизация.

Термические кривые, характеризующие процесс охлаждения с различными скоростями, приведены на рис. 30. При медленном охлаждении, соответствующем кривой v_lt степень переохлаждения невелика и кристаллизация протекает при температуре, близкой к равновесной. Горизонтальная площадка на термической кривой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, кото­рая компенсирует отвод тепла. С ростом скорости охлаждения (кривые v₂, v₃) степень переохлаждения растет и процесс кристал­лизации протекает при все более понижающейся температуре. Помимо скорости охлаждения, степень переохлаждения зависит от чистоты металла. Чем чище металл, тем выше степень переохла­ждения.